液晶是一种物态，顾名思义，它是同时具有固体和液体性质的分子晶体，结合了类似液体和固体的行为。事实上，液晶这个词本身包含着矛盾，因为晶体代表着有序和规则，而液体则被熵“主宰”，液体中的原子或分子是完全无序的。（详见《[color=var(--weui-LINK)]它是如何做到集有序与无序于一身的？》。）
氯化钠分子结构（左，绿色代表氯原子，紫色代表钠原子）与液体中原子（右）的理想化描绘。
由于液晶的这种有序性与无序性共存的特殊性质，液晶具有独特的光学性质，液晶已经成为我们生活中不可或缺的一部分。从笔记本电脑到电视，再到手机，液晶显示器（LCD）已经成了许多电子设备的“标配”。
20世纪70年代以来，向列相液晶一直是液晶材料研究的热点。想象你手上握着一把“针”，但这些“针”其实是向列相液晶具有极性的杆状分子，“针”的头部（钝端）带有正电荷，尾部（尖端）带有负电荷。现在，松手把这些“针”丢在桌子上，在传统的向列相液晶中，一半的“针”指向左边，另一半指向右边，方向是随机的。
向列相液晶分子示意图。| 图片来源：IAS
然而，铁电向列相液晶则会更有秩序。在这样一种液晶中，液晶样品里会形成斑块，或者叫“畴”（domain），斑块内的分子都指向同一个方向，要么都向左，要么都向右。用物理学的术语来说，这些材料是极性有序的。
近日，科罗拉多大学博尔德分校软材料研究中心（SMRC）的研究人员就发现了这样一种液晶的“铁电向列相”。这项新发现背后是科学家一个多世纪的寻找，它打开了一扇通往新材料世界的大门，从新型显示屏到全新概念的计算机储存器，它有望开启大量的技术创新。
20世纪初，诺贝尔奖得主Peter Debye和Max Born提出，如果正确地设计液晶，它的分子可以自发地进入极性有序的状态。
不久之后，研究人员开始发现，固体晶体中有类似的现象，它们的分子也会指向相同的方向。在施加的电场的作用下，分子也可以反转，从右向左或从右向左地转向。由于这些固体晶体看起来与磁铁很相似，它们被称为“铁电体”。在此后的几十年间，科学家一直在努力寻找一种能表现出相同行为的液晶相。
几年前，一组英国科学家创造了一种有机分子，名为RM734。先前的研究已经发现，RM734在更高的温度下显示出传统的向列相液晶相。在较低的温度下，它出现了另一个不寻常的相。
RM734的结构和在铁电向列相中的分子排列示意图。P和箭头代表分子极性方向。| 图片来源：[2]
SMRC主任、物理学家Noel Clark带领团队开始仔细研究RM734。当他们试图在显微镜下观察那个奇怪的相时，他们注意到了一些新的东西。在弱电场下，一些醒目的颜色朝着含有液晶的单元边缘显现出来。就好比是，将灯泡通电进行测试，但发现插座和连接线反而更亮。
研究人员进行了更多测试，发现RM734的这个相，对电场的响应是普通的向列相液晶的100到1000倍。这表明构成液晶的分子表现出很强的极性有序性。Clark介绍，这就好像是，当所有分子都指向左边，它们都看到了一块区域，指示显示“向右走”的时候，这些分子的反应非常明显。
在新发现的液晶相中，当研究人员施加小的电场，颜色会产生变化，这可以简化地理解成由于电场变化，区域中极性方向产生了变化。| 图片来源：SMRC
团队还发现，当液晶从更高的温度冷却下来时，似乎会自发形成不同的畴。换言之，在他们的样品中出现了一些斑块，这些斑块中所有的分子都朝着一致的方向排列。这种一致性大大超出了团队的预期。这些结果证实了，这个新发现的相确实是一种铁电向列相液体。
在显微镜下观察液晶的新发现的相。菱形是“畴”，其中的几乎所有分子都具有箭头所示的方向。| 图片来源：SMRC
Clark说：“现在有大约4万篇关于向列相液晶的研究论文，在其中找任何一篇，如果是铁电向列相，你都能看到有趣的新可能性。”
这项研究表明，还有其他铁电液体隐藏在人们的视线之外。令人兴奋的是，现在像人工智能这样的技术正在出现，能够帮助有效地进行搜索。研究人员下一个阶段的目标是发现RM734是如何实现这种罕见的行为的。目前研究人员正在使用计算机模拟来解决这个问题。
参考来源：[1] https://www.colorado.edu/today/2 ... nd-new-liquid-phase[2] https://www.pnas.org/content/early/2020/06/09/2002290117
封面图来源：SMRC
发表于 2020-6-20 07:29
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